电子电路原理第十七章(线性运算放大器电路的应用)
线性运算放大器的输出和输入信号的波形相同。如果输入是正弦波，则输出也是正弦波。 运放在信号整个周期内都不会进入饱和区。本章讨论各种线性运放电路，包括反相放大器、同相放大器、差分放大器、仪表放大器、电流增强电路、受控电流源和自动增益控制电路。
17.1 反相放大器电路
在本章和后面的几章中，将讨论各种不同的运算放大器电路。为了便于理解，会随时进行包含重要公式的电路小结。而且，在必要时用R, 表示反馈电阻，代替R、R₁等其他标示方法。
反相放大器是最基本的电路之一。在第15和16章中讨论了该放大器的原型。这类放大器的一个优点是它的电压增益等于反馈电阻与输入电阻之比。下面对一些应用电路进行简要分析。
17.1.1 高阻探针
图17-1所示是一个可用于数字万用表的高阻探针。因为第一级虚地，探针的低频输入阻抗是100MΩ。第一级是电压增益为0.1的反相放大器。第二级是电压增益为1或10的反相放大器。
图17-1电路显示了10:1探针的基本原理。它的输入阻抗非常高，总电压增益为0.1
17.1.2 交流耦合放大器
在有些只有交流输入信号的应用中，放大器的频率响应不必包括零频率。 图17- 2所示是一个交流耦合放大器及其方程 。 电压增益为 ：
根据图17- 2中给出的参数值，可得闭环电压增益为 ：
如果单位增益带宽fumity是1MHz, 则闭环带宽为 ：
输入耦合电容C₁和输入电阻R₁产生一个较低的截止频率fa。其值为：
同样地，输出耦合电容C₂和负载电阻RL产生的截止频率fa2为 ：
17.1.3 频带可调电路
有时需要在不改变闭环电压增益的情况下改变反相放大器的闭环带宽。图17-3给出了一种方法。当R可变时，带宽发生变化，而电压增益保持不变。
如果fumity=1MHz, 则最小、最大带宽分别为：
f2ccL)min=0.001×1MHz=1kHz
f2cCL)max=0.05×1MHz=50kHz
总的来说，当R从100Ω变化到10kΩ 时，电压增益不变，带宽从1kHz变化到50kHz。
17.2 同相放大器电路
同相放大器是另一种基本放大器电路。它具有电压增益稳定、输入阻抗高、输出阻抗低的优点。下面介绍它的一些应用。
17.2.1 交流耦合放大器
图17-4所示是一个交流耦合同相放大器及其方程。 C₁、C₂是耦合电容，C₃是旁路电容。采用旁路电容可以使输出失调电压最小。在放大器的中频区，旁路电容的阻抗很低。
因此，R₁的低端交流接地。在中频区的反馈系数是：
17.2.2 音频信号分配放大器
图17-5所示是一个驱动三个电压跟随器的交流耦合同相放大器。这是一种将音频信号分配到几个不同输出端的实现方法。图17-5中给出了第一级电路的闭环电压增益和带宽的公式。根据图中的参数值可求得闭环电压增益是40。如果fumity是1MHz, 则闭环带宽是25kHz。
LM348是4个741结构，采用14引脚封装，因此在类似图17-5所示的电路中使用LM348会很方便。可将其中一个运放作为第一级，其他运放作为电压跟随器。
17.2.3 用结型场效应管开关控制电压增益
有些应用要求闭环电压增益可变。
图17-6显示了一个同相放大器，其电压增益由一个结型场效应管 (JFET) 开关控制。结型场效应管的输入电压有两种状态：零或夹断电压VGs(of)。当控制电压为低电平时，场效应管开路。这种情况下，R₂与地断开，电压增益用普通同相 放大器公式求解(见图17-6右上的公式)。
当控制电压为高电平时，其值等于0V, 结型场效应管闭合。使得R₂和R₁并联，闭环电压增益增加为：
在多数设计中， R2比rascon)大很多，以避免结型场效应管电阻对闭环电压增益的影响。有时，可以用多个电阻和晶体管开关支路与R并联，以提供不同的电压增益。
17.2.4 基准电压源
MC1403是一种具有特殊功能的集成电路，可以产生非常精确、稳定的输出电压，因此称作基准电压源。在4.5～40V的正向电源电压下，它能产生2.5V的输出电压，误差在±1%以内。温度系数仅有10ppm/℃。ppm是“百万分之一 ”(part per million)的简称(1ppm 等于0.0001%)。因此，10ppm/℃表示当温度改变100℃时，电压改变2.5mV(10×0.0001%×100×2.5V) 。这表明输出电压异常稳定，能在很宽的温度范围内保持2.5V。
唯一的问题是，2.5V的基准电压在很多应用中可能过低。例如，若需要一个10V的参考电压，则可以使用MC1403和一个同相放大器，如图17-7所示。根据电路中的参数值，可得电压增益为：
输出电压为：
Vout=4×2.5V=10V
17.3 反相/同相电路
本节将讨论输入信号同时驱动运放的两个输入端的电路。当一个信号作为两个输入时，同时得到了反相放大和同相放大。得到的输出是两个放大信号的叠加结果。
当输入信号驱动放大器两个输入端时，总的电压增益等于反相电压增益和同相电压增益之和：
A 。=Ain)+Anon)
该公式将用于本节电路的分析。
17.3.1 可转换反相器/同相器
图17-8所示是一个运算放大器，它既可作为反相放大器也可作为同相放大器。当开关处于低位时，同相输入端接地，电路是一个反相放大器。因为反馈电阻和输入电阻相等，其闭环电压增益为：
当开关移至高位时，信号同时输人反相和同相输入端。反相通道的电压增益仍然是：
Au(iny)=-1
同相通道的电压增益是：
总的电压增益是这两个增益的代数和：
A 。=Auinv)+AKnon)=-1+2=1
这个电路是可转换的反相器/同相器，其电压增益是1或- 1,具体值取决于开关的位置。即电路产生的输出电压与输入电压幅度相同，相位则可以是0°或-180°。
17.3.2 结型场效应晶体管控制的可转换反相器
对图17-8电路做一些修改便可得到图17-9所示电路。结型场效应管的作用类似压控电阻r。可通过改变栅极电压使场效应管的阻抗变高或变低。
当栅电压为低电平时，其值等于VGscof, 晶体管截止。因此，输入信号进入两个输入端。此时：
Anon)=2
Aacinv)=-1
且
A,=Au(iny)+A,(non)=1
电路犹如一个闭环电压增益为1的同相电压放大器。
当栅电压为高电平时，其值等于0V, 晶体管的电阻很低。因此，同相输入端近似接地。此时，电路犹如一个闭环电压增益为-1的反相电压放大器。在正常工作时，R至少应该比晶体管的ras大100倍。
总之，电路的电压增益可以是1或-1, 取决于控制结型场效应管的电压是高还是低。
17.3.3 可调增益反相放大器
当图17-10电路中的可变电阻为零时， 同相输入端接地，电路变成一个电压增益为 -R₂/R₁的反相放大器。当可变电阻增加到R₂, 输入到运放两个输入端的电压相等(共模输入)。由于电路对共模的抑制作用，输出电压近似为零。因此，图17-10所示电路的电压增益可从-R₂/R₁~0连续变化。
17.3.5 可转换和可调节增益
图17-12所示是另一种特殊电路。它的电压增益可以在-n~n之间变化。它的工作原理和符号转换器相似。当滑片在最右端时，同相输入端接地，电路变为一个反相放大器，其闭环增益是：
当滑片在最左端时，则有：
A(inv)=-n
Aunon)=2n
A 。=Aunon)+A(inv)=n
上述结论可根据戴维南定理和简单的代数运算导出。
图17-11和图17-12所示的电路没有简单的分立电路可以替代。这个例子很好地说明了有些用分立器件很难实现的电路，用运放却很容易实现。